可以DIY的張力計(jì)
? 作者: Michael D Cahn
? 作者: David Chambers
發(fā)表于: April 23, 2019
張力計(jì)是監(jiān)測蔬菜和漿果作物土壤水分狀況的一種非常有用的工具。與通常需要數(shù)據(jù)記錄器或計(jì)算機(jī)等設(shè)備來收集讀數(shù)的其他傳感器相比，田間灌溉人員可以很容易地讀取張力計(jì)的讀數(shù)。此外，張力計(jì)的讀數(shù)不受土壤質(zhì)地、溫度和鹽度變化的影響，并且可以在不帶電的情況下工作（不需要電池）。
什么是張力？張力計(jì)測量土壤濕度的單位是負(fù)壓，也稱為張力。張力是衡量植物根系從土壤孔隙中抽出水分所需施加的力。大毛孔比小毛孔吸水力小。當(dāng)植物從土壤中吸取水分時(shí)，水首先從最大的孔隙中被吸收。當(dāng)土壤干燥時(shí)，根系需要施加更大的力來從較小的孔隙中吸取水分。因此，高張力值意味著土壤變得干燥。
張力計(jì)是如何工作的？張力計(jì)充滿水（蒸餾水比較好），水已經(jīng)通過沸騰脫氣。張力計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部件是一個(gè)多孔陶瓷杯，它允許張力計(jì)軸中的水通過杯內(nèi)的小孔自由進(jìn)入土壤中，而不會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象（圖1）。如果土壤未飽和，水將從杯內(nèi)流入未填充的土壤孔隙中。因?yàn)榭諝獠荒艽媪鞒龅乃v出的空間，所以在張力計(jì)的軸上形成真空，可以用精確的壓力計(jì)測量。當(dāng)張力計(jì)的內(nèi)部真空壓力等于土壤張力或從土壤孔隙中吸水所需的力時(shí)，水將停止從張力計(jì)杯內(nèi)遷移到土壤中。真空表測量張力，單位為千帕或立方巴，兩者相等（1千帕=1立方巴）。
圖1. 在小于80千帕的張力下，水可以自由地通過陶瓷杯中的小孔流動(dòng)，而無需空氣進(jìn)入張力計(jì)
張力讀數(shù)的解釋 由于張力值提供了植物從土壤中吸取水分所需的能量，因此張力計(jì)讀數(shù)很容易與作物的水分壓力相關(guān)。在高壓力值下，植物會(huì)承受更多的水分壓力和生長也會(huì)減慢。此外，無論土壤是砂質(zhì)、粘土還是壤土，張力讀數(shù)在水應(yīng)力方面具有相似的含義。
張力計(jì)的可靠性 張力計(jì)的致命弱點(diǎn)是，如果任何空氣泄漏到儀器中，它將無法保持真空，讀數(shù)也將不可靠。有幾種品牌的商用張力計(jì)可供選擇。有些相對便宜，使用簡單，而另一些則更復(fù)雜，可以與數(shù)據(jù)記錄器接口，提供全天連續(xù)的讀數(shù)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，一些流行的商用張力計(jì)經(jīng)常泄漏空氣和失去真空壓力，在許多情況下，壓力計(jì)不能提供準(zhǔn)確的讀數(shù)或不耐用。真空壓力的損失意味著張力計(jì)需要經(jīng)常用脫氣水補(bǔ)充。此外，灌溉者可能會(huì)誤認(rèn)為低讀數(shù)表明作物有足夠的水分，而實(shí)際上土壤可能是干的。
一個(gè)可靠的張力計(jì)設(shè)計(jì) 我們在2018年設(shè)計(jì)并測試了一個(gè)版本的張力計(jì)，該版本的張力計(jì)制作簡單，提供了精確的讀數(shù)，材料成本不到55美元。這種設(shè)計(jì)提高了儀器在高壓下保持真空的能力。在中等潮濕的土壤條件下，張力計(jì)通常需要每月至少用脫氣水填充一次。即使當(dāng)土壤干燥至張力超過張力計(jì)的最大范圍（>80 kPa）時(shí)，這些張力計(jì)仍保持真空約兩周，直到豎軸桿內(nèi)的水全部耗盡。
以下段落描述了制作張力計(jì)所需的材料（圖2）和程序。這些材料的供應(yīng)商是我們使用的材料的例子，但您可以為這些部件確定不同或更便宜的來源。通過仔細(xì)遵循這些說明，人們應(yīng)該能夠建立一個(gè)可靠的張力計(jì)，提供準(zhǔn)確的張力讀數(shù)。
圖2. 制作張力計(jì)所需的部件：a.陶瓷杯 b.?英寸PVC軸管 c.PVC“T” d.真空計(jì) e.橡膠塞。
所需材料：
陶瓷杯
供應(yīng)商：SoilMoisture Equipment Corporation，Santa Barbara CA（805-964-3525）零件號0655X01-B01M3，尺寸：0.875英寸外徑x 2.75英寸長度。
（
編者注：SoilMoisture陶瓷杯0655X01-B01M3現(xiàn)已升級為Y2630A-100S1，請點(diǎn)擊型號查看采購信息）
環(huán)氧樹脂（陶瓷/塑料）
供應(yīng)商：SoilMoisture Equipment Corporation，Santa Barbara CA（805-964-3525）
零件號0980V004，說明：4盎司：環(huán)氧樹脂和4盎司硬化劑。注意，環(huán)氧樹脂/硬化劑的體積足以制造幾百個(gè)拉力計(jì)。
真空計(jì)
供應(yīng)商：Zoro.com/Grainger.com零件號4FMK3，說明：?英寸MNPT 2英寸直徑測試真空計(jì)。
#1號橡膠塞
供應(yīng)商：Grainger.com網(wǎng)站零件號8DWU6，型號RST1-S，描述：24 mm頸部，底部直徑。=14毫米。頂部直徑。=20毫米。
附表40 PVC管（直徑?英寸）
供應(yīng)商：灌溉供應(yīng)或五金店
PVC“T”
供應(yīng)商：灌溉供應(yīng)或五金店，制造商：斯皮爾斯公司，零件號402-072，說明：?英寸卡瓦x?英寸螺紋異徑“T”
PVC膠（灰色）和紫色底漆
供應(yīng)商：灌溉供應(yīng)或五金店
氣管螺紋密封膠（白色或藍(lán)色膏狀）
供應(yīng)商：灌溉供應(yīng)或五金店
油漆工膠帶
供應(yīng)商：五金店
凡士林
供應(yīng)商：藥房
所需工具：
? PVC鋸子或PVC切割工具
? 氧化鋁磨石，制造商：福尼零件號：A11 60028說明：直徑7/8英寸[23毫米]。x 2英寸[50.8毫米]長
? 手持式電動(dòng)鉆機(jī)
? 軸鋸箱
? 小刀
步驟
1. 按以下長度切割PVC管段
1英尺深度張力計(jì)：上軸=4英寸，下軸=17英寸
2英尺深度張力計(jì)：上軸=4英寸，下軸=30英寸
建議將底部軸切割比上述長度長約1英寸，然后使用軸鋸箱或電動(dòng)斜切鋸小心地切割軸的下端，以確保以90度角切割。如果切口偏離90度，陶瓷杯將彎曲地安裝在軸端部。
2. 首先用PVC膠水將上軸和下軸粘合到?PVC“T”上。確保不要用膠水將底部軸的末端修剪成90度。在通風(fēng)良好的位置，在軸的末端和“T”的“滑動(dòng)”端的內(nèi)側(cè)涂抹PVC底漆。然后在兩邊涂上灰色的PVC膠，把零件推到一起，保持在原位大約30秒到1分鐘。提示：涂膠后立即將零件稍微扭轉(zhuǎn)約30度，以確保零件牢固。同時(shí)用油漆膠帶覆蓋非粘合區(qū)域，以防止外部被膠水覆蓋。
3. 用手鉆和磨石將底軸下端內(nèi)側(cè)稍微斜切（圖3）?；蛘?，你可以用小刀把末端斜切。無論是使用鉆頭還是刀具對管道內(nèi)部進(jìn)行斜切，都應(yīng)定期停止并測試安裝陶瓷杯。這樣你就不會(huì)去除太多的材料，而且會(huì)很快感覺到要去除的適量。
圖3. 使用鉆頭將張力計(jì)軸的帶斜口，以容納陶瓷杯。
4. 用環(huán)氧樹脂將陶瓷杯粘在底軸下端。在涂膠過程中，用油漆膠帶覆蓋陶瓷杯的外部（圖4）。檢查陶瓷杯是否緊貼在PVC管中，并對齊。如果使用來自SoilMoisture公司的環(huán)氧樹脂，將1份環(huán)氧樹脂與1份硬化劑混合。充分?jǐn)嚢?。陶瓷杯的喉部和PVC管的內(nèi)部只需要少量的環(huán)氧樹脂，所以同時(shí)粘合幾個(gè)拉力計(jì)，這樣就不會(huì)浪費(fèi)環(huán)氧樹脂。由于環(huán)氧樹脂在一小時(shí)后開始固化，一次可以粘不超過20到40杯。20臺(tái)張力計(jì)需要大約20毫升的環(huán)氧樹脂。固化時(shí)間與溫度有關(guān)。在77°F下完全固化8小時(shí)。留出更多時(shí)間進(jìn)行固化。膠合后，可使用油漆工膠帶將杯子固定在軸上。用膠帶固定兩個(gè)時(shí)要小心，以確保杯子與PVC軸對齊。讓膠水凝固至少24小時(shí)，用張力計(jì)杯端垂直支撐。提示：是在高于65°F的溫度下粘合零件。在較低溫度下可能需要更多的硬化劑。此外，建議首先測試一小批環(huán)氧樹脂，以確保硬化劑與環(huán)氧樹脂的比例足以使環(huán)氧樹脂硬化。
圖4. 用油漆膠帶防止膠水涂在PVC軸和陶瓷杯上
5. 在壓力表的?英寸外螺紋上涂抹管螺紋密封劑，并用手?jǐn)Q緊真空表。小貼士：不要過緊，否則PVC“T”會(huì)破裂！
6. 將除氣蒸餾水充滿張力計(jì)。水可以通過煮沸并冷卻來除氣。
7. 在橡膠塞的下端涂上一層薄薄的凡士林薄膜，然后輕輕扭轉(zhuǎn)一下，將橡皮塞插入張力計(jì)的頂端，以牢固地固定塞子（塞子松脫是真空泄漏的主要原因）。
圖5. 成品張力計(jì)已準(zhǔn)備好進(jìn)行測試
測試張力計(jì)是否漏氣：
在將張力計(jì)注滿水并用橡皮塞密封后，在陶瓷杯的末端包上一塊干紙巾并緊緊握住（圖6）。如果張力計(jì)充滿脫氣水，當(dāng)毛巾從杯中吸水時(shí)，張力應(yīng)迅速增加至約20至30千帕。如果壓力計(jì)沒有增加到0以上，則可能有空氣泄漏到張力計(jì)中。檢查膠接處，確保塞子牢固就位。
如果張力迅速增加到20千帕以上，則將張力計(jì)放在陽光下，以確保張力升至70至80千帕以上。這可能需要一些時(shí)間，幾分鐘到幾小時(shí)，這取決于環(huán)境溫度。如果張力沒有增加到較高的值，則檢查膠接處和止動(dòng)塊。同時(shí)檢查壓力表是否牢固地?cái)Q入PVC“T”
圖6. 用干紙巾包住陶瓷杯，測試張力計(jì)是否能保持真空
現(xiàn)場安裝張力計(jì)：
在野外正確安裝張力計(jì)將使陶瓷杯與周圍土壤緊密接觸。使用直徑為?英寸的土壤探針，在比安裝深度淺幾英寸的深度處打一個(gè)導(dǎo)向孔（圖7）。把土和水充分混合成薄煎餅狀的稠度，制成土水漿。向孔內(nèi)加入泥漿，將拉力計(jì)推至所需深度（圖8）。土壤泥漿確保水可以在陶瓷杯和周圍土壤之間自由流動(dòng)，并填充孔和張力計(jì)軸之間的空隙。陶瓷杯和土壤之間形成的氣隙會(huì)降低張力計(jì)讀數(shù)的準(zhǔn)確性。平衡兩天后，張力計(jì)讀數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確反映土壤的張力。
圖7. 用土壤探針鉆一個(gè)孔，深度比張力計(jì)的預(yù)期深度（A）小1或2英寸。
在孔中灌注土壤泥漿將有助于在陶瓷杯和周圍土壤（B）之間形成良好的水力接觸
圖8.在滴灌洋蔥作物上新安裝的張力計(jì)
翻譯:陳棟
2022更新信息：
陶瓷杯已升級，2022年開始新型號如下，更新的DYI操作指引如下：
The part is improved. The new item is SKU Y2630C (see the link below for more details).
https://ucanr.edu/blogs/blogcore/postdetail.cfm?postnum=46311
SKU: Y2630C
